Анизотропная сталь что это

Электротехническая сталь (трансформаторная) — свойства и применение

Электротехническая сталь – это разновидность черного металла с улучшенными электромагнитными свойствами. Добиться этого удается внедрением кремния. Таким образом, как металл, электротехническая сталь представляет собой сплав железа с кремнием, содержание которого составляет 0.8 – 4.8%. Наименование, этот специфический состав получил вследствие области своего непосредственно применения.

Электротехническая сталь, также имеет названия динамная сталь, трансформаторная сталь и кремнистая электротехническая сталь.

Зачем кремний в стали?

Легирование производится не чистым элементом кремнием, а ферросилицием. Это вещество представляет собой сплав FeSi с железом. Легирование стали Si позволяет вывести из металла кислород, элемент – оказывающий наибольшее негативное воздействие на магнитные свойства Fe. Происходит реакция восстановления железа из его окислов, с результирующим образованием оксида кремния, частичного переходящего в шлак.

Так выглядит ферросилициий — марка ФС45

Второй положительный эффект от внедрения кремния в сталь связан с выделением цеменита (Fе3С) из металла, который замещается образующимся графитом. Оба соединения, оксид железа и цеменит увеличивают коэрцитивной силы в металле, что приводит к росту потерь на гистерезис. Более того, легирование кремнием железа с концентрацией Si выше 4% способствует также снижению потерь на вихревые токи, что обусловлено повышением удельного электрического сопротивления электротехнической стали относительно ее марок, нелегированных кремнием.

Химический состав стали с улучшенными магнитными характеристиками

Исходя из вышесказанного, повышение содержания кремния в металле снижает удельный вес оксидов железа. Как показывает практика, одновременно с этим происходит рост индукции насыщения Вs железа. Ее максимальная величина достигается при содержании Si на уровне 6.4%.

Однако по химическому составу электротехническая сталь остается легированным металлом с содержанием кремния не более 4.8%. Это связано с ухудшением механических свойств металла, хрупкости в частности, при росте концентрации Si. Наряду с кремнием в электротехническую сталь может добавляться алюминий на уровне 0.5%.

Сердечник трансформатора из электротехнической стали

Исходя из химического состава (содержания легирующих примесей), металл разделяют на две категории динамная и трансформаторная сталь. В первой разновидности процент вхождения кремния составляет 0.8 – 2.5%, тогда как трансформаторное железо характеризуется уровнем легирования 3.0 – 4.5%.

Читайте также: Лом трансформаторов, о том, как сдают трансформаторы в металлолом, и что ценного в них есть.

Изотропная и анизотропная сталь – отличия производства

Как можно понять из вышесказанного, характеристики легированного соединения сильно зависят от содержания кремния. Вторым фактором, определяющим свойства металла, выступает его внутренняя структура, которая формируется в процессе производства. В частности горячекатаная и холоднокатаная стали обладают различными по размеру ячейками. Для крупнокристаллических материалов характерны большие величины магнитной проницаемостью, но коэрцитивная сила существенно ниже, чем у металлов с мелкокристаллической структурой. Варьировать размер зерна позволяют два вида обработки: механическая и термическая.

Так отжиг стали способствует понижению внутренних напряжений в металле, одновременно приводя к увеличению кристаллов, образующих его структуру. Горячая прокатка электротехнической стали не способна создать устойчивую ориентацию зерен внутри металла, оставляя ее хаотичной. Подобная изотропная сталь, как результат, характеризуется независимостью магнитных свойств от направления.

Добиться текстурованной структуры с определенной пространственной ориентацией кристаллов в металле позволяет повторной холодной прокатки стали, сопровождающаяся отжигом при особых условиях. Как результат получается анизотропная сталь, где ребра кубической решетки кристаллов установлены в направлении прокатки. Расположив анизотропную сталь в правильном направлении, можно добиться повышения магнитной проницаемости, одновременно понизив коэрцитивную силу.

Производство электротехнической стали налажено в виде листового проката с шириной полосы 240 – 1000 мм. Металл выпускается рулонами или отдельными листами, длина которых варьируется от 720 до 2000 мм. Толщина электротехнического стального профиля начинается с 0.05 мм и может иметь следующие показатели: 0.1, 0.2, 0.35, 0.5 и 1,0 мм. Кроме того, классификация электротехнических сталей по разновидности продукции допускает следующие виды проката: сортовой и лента резанная.

Марки изотропной тонколистовой стали х/к: 2011, 2012, 2013, 2014, 2015, 2016, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421.

Марки анизотропной тонколистовой стали х/к: 3311 (3411), 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409.

Металлическая буква «Е» — что это?

Всех мучил вопрос в детстве — что эта за металлическая буква Е или Ш такая?

Эта металлическая пластина в виде буквы Ш или Е (кто как видит) и есть та самая трансформаторная сталь, точнее сердечник трансформатора, изготовленный из электротехнической стали. Такие пластины часто попадались в детстве — ржавые, гнутые, склеенные, кто-то затачивал их и бросался, словно, самурайскими сюрикэнами.

Буква Е или Ш — та, что мы видели в детстве

Этих металлических букв Ш (Е), казалось, валяется целая куча — они были в каждом дворе иногда валялись целыми россыпями, а появлялись они после разбора вот таких трансформаторов, см. фото:

Внутри этого трансформатора находится сердечник из трансформаторной стали и склеенных букв «Е»

Электротехническая сталь — марки

Маркировка данного вида металла представляет число, где его цифры указывают:

1. Первая – структурное состояние металла и класс его прокатки. Это может быть горячекатаная (1) или холоднокатаная (2) изотропная, а также холоднокатаная анизотропная разновидность стали.
2. Вторая – отображает процент вхождения кремния. Она принимает следующие допустимые значения от 0 до 5. Стартовая величина – менее 0.4% обозначается как 0. Вторая цифра 1 соответствуют содержанию Si 4 – 0.8 %. Последующие четыре значения отображают увеличение концентрации кремния на 1, вплоть до величины 4.8%.
3. Третья цифра характеризует электромагнитные характеристики: коэрцитивная сила, магнитна индукция и прочие.
4. Последние две цифры отображают количественное значение характеристики из третьего пункта.

Марки электротехнической стали:

• Сталь электротехническая сернистая: 1211, 1212, 1213, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412, 1413, 1511, 1512, 1513, 1514, 1521, 1561, 1562, 1571, 1572, 2011, 2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2213, 2214, 2215, 2216, 2311, 2312, 2411, 2412, 2413, 2414, 2421, 3311, 3404, 3405, 3406, 3407, 3408, 3409, 3411, 3412, 3413, 3414, 3415, 3416, 3421, 3422, 3423, 3424, 3425

• Сталь электротехническая нелегированная: 10832, 10848, 10850, 10860, 10864, 10880, 10895, 11832, 11848, 11850, 11860, 11864, 11880, 11895, 20832, 20848, 20850, 20860, 20864, 20880, 20895, 21832, 21848, 21850, 21860, 21864, 21880, 21895

Свойства электротехнической стали

Ценность легированного кремнием железа обусловлена его улучшенными электромагнитными характеристиками: высокий уровень индукции насыщения, минимизация потерь на гистерезис, а также пониженная коэрцитивной сила. Поскольку анизотропная структура позволяет еще больше улучшить эти свойства, то спрос не текстурованные стали изначально выше.

Вопрос, для каких целей применяют электротехнические стали, находит ответ в наименовании металла. Одно из предназначений сплава — это сердечники в таких устройствах:

• трансформаторов тока;

• статоры и роторы электрооборудования;

• силовых трансформаторов.

Кроме того, электротехническая сталь – отличный материал для магнитопроводов в составе электрических аппаратов. Понять, почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали несложно. Это следует из свойств металла, в частности повышению удельного электрического сопротивления. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению потерь мощности от вихревых токов, характерных для сердечника трансформатора. Как результат, повышается общая эффективность устройства, а сам сердечник меньше нагревается.

Еще больше нивелировать потери от вихревых токов, можно уменьшив толщину пластин. Поэтому электротехническая сталь для электродвигателей, в частности сердечников трансформаторов, должна иметь толщину 0.5 мм при частоте 50 Гц. Если источник тока работает на больших частотах, под сердечник используют более толстые листы электротехнической стали: 0.1 или 0.2 мм.

Дополнительные потери энергии в сердечнике трансформатора происходят вследствие гистерезиса – процесса циклического перемагничивания. Сузить петлю гистерезиса, соответственно уменьшить ее площадь приведут к понижению потерь на перемагничивание. Это вторая причина использования электротехнической стали в сердечнике трансформатора.

Поскольку снижение потерь на вихревые токи и гистерезис достигается повышением содержания кремния в металле, сплав с высокой концентрацией Si получил название трансформаторная сталь, характеристики которой лучше подстроены именно под трансформаторы. Выражаясь языком цифр, в производстве мощных трансформаторов использование текстурованной стали позволяет уменьшить уровень потерь на треть. Кроме того, это способствует снижению массы трансформатора на 10% и расхода самого металла на 20%.

Сбор сердечника трансформатора

Кроме трансформаторов, электротехническая сталь, в зависимости от марки применяется для:

• магнитных цепей при изготовлении электрического оборудования – марки 2212, сернистая изотропная, 20895/20880 АРМКО;

• электродвигателей и подобных изделий – марка 10895/Э12/АРМКО;

• прочая электротехническая продукция — марка10880/Э10/АРМКО.

Назначение некоторых марок стали электротехнической:

Характеристики и свойства трансформаторной стали, марки и состав

Особенность трансформаторной стали в улучшенных электромагнитных характеристиках. Чтобы улучшить показатели материала, в него добавили кремний, количество которого отличается в зависимости от марки. С помощью этого материала производят разнообразные виды трансформаторов. Его популярность связана с более высокими характеристиками, чем у других металлов.

Состав трансформаторной стали

Материал выполняют не только из кремния, а создают сплав с железом. Добавление этого элемента приводит к тому, что коэффициент силы увеличивается, а удельное сопротивление электрической мощности повышается, если сравнить с марками без кремния.

Если добавить в состав определенное количество кремния, это приведет к снижению отдельного веса оксидов железа.

По химическому составу этот материал можно отнести к легированным металлам за счет наличия кремния в количестве до 0,5%.

В трансформаторном железе добавление посторонних примесей в пределах 3-4,5%.

Свойства кремния

Кремнием называют основной материал полупроводниковой электроники. С его помощью изготовляют интегральные схемы, диоды, транзисторы, солнечные батареи, фотоприемники и другие приборы.

Это полупроводник, электрические свойства которого зависят от примесей. Он прозрачен для инфракрасных лучей. При низкой температуре проявляет химическую инертность, на воздухе образовывается тонкая пленка оксида. Окисление кремния происходит при нагревании до 400 градусов. Растворим во многих расплавленных металлах.

Отличительные особенности изотропной и анизотропной сталей

Какими свойствами будет обладать соединение зависит от того, сколько в него добавили кремния во время производственного процесса. Горячекатаная и холоднокатаная сталь имеют разные по размеру ячейки. Если материал отличается крупными кристаллами, то его магнитная проницаемость больше, но незначительная коэрцитивная сила, если сравнить с материалами с мелкими кристаллами. Размер зерен зависит от применяемой механической или термической обработки.

Во время отжига внутреннее напряжение в металле понижается, а одновременно с этим кристаллы увеличиваются, формируя структуру. Если сделать горячую прокатку, то не получится сформировать зерна устойчивыми в определенном положении, поэтому они размещаются хаотично. Это изотропная сталь. Она обладает магнитными свойствами, не зависящими от направления.

Чтобы была получить текстурированный материал второй раз прибегают к холодной прокатке стали, сопровождая ее отжигом в особых условиях. Это позволяет получить анизотропную сталь. Ребра в ней расположены так, как проходила прокатка. Расположение материала в правильном положении способствует повышению магнитной проницаемости и снижению коэрцитивной силы, улучшению работы устройств.

Электротехническую сталь производят и продают в рулонах или отдельных листах. Их длина от 720 до 1000 мм.

Расшифровка маркировки

Каждая марка стали обозначается определенными цифрами, несущими в себе информацию:

1. Вначале маркировки стоит число, показывающее структурное строение и вид прокатки. К первому классу относят горячекатаную изотропную, ко второму – холоднокатаную изотропную, к третьему – холоднокатаную анизотропную.
2. Вторая – количество кремния в материале от 0,4 до 4,8%.
3. Третья – принадлежность к нормируемой группе.
4. Начальные цифры используются для обозначения типа.

Четвертая и пятая цифры показывают основные нормируемые характеристики в количественном значении. Маркировка предоставляет основную информацию о материале.

Основные марки

Существуют две основные марки.

Марка 2212. Для промышленного производства используют тонкие листы, подверженные холодной прокатке.

Нелегированная

Она отличается от углеродистой стали наличием в составе менее 5% легирующих элементов.

Оба вида используют в производстве трансформаторной стали.

Основные свойства и характеристики

Сталь для трансформаторов применяется нержавеющая, магнитная с достаточными показателями проницаемости. Она так популярна в производстве электрооборудования благодаря тому, что обладает высокими электромагнитными характеристиками и теряет минимальное количество энергии в результате нестериса.

Из металла делают различные элементы для трансформаторов и другого электрооборудования. Также он идеально подходит для создания магнитных проводов.

Без этого особого вида стали не обходятся сердечники трансформатора по той причине, что материал способствует более высокому удельному сопротивлению. Это позволяет терять меньше мощности от вихревых токов. Эта проблема обычно касается сердечников электрооборудования. Благодаря его использованию не происходит чрезмерное нагревание сердечника.

Для уменьшения потерь от вихревых потоков, уменьшают толщину пластины. Поэтому толщина стали должна быть 0,5 мм при частоте в 50Гц. Если устройство работает при большей частоте, то необходимо делать сердечник из листов 0,1-0,2 мм.

Металл помогает уменьшить потери на перемагничивание. Это еще одна причина популярности электротехнической стали для производства сердечника трансформатора.

Так как снизить потери и процесс циклического перемагничивания можно с помощью добавления кремния в металл, то сплавы с повышенным содержанием этого элемента получили название трансформаторная сталь. Благодаря применению удалось добиться уменьшения потерь на треть. Также это позволяет уменьшить массу трансформатора на 10%, а расход металла на 20%.

Электромагнитную сталь используют практически во всей электромеханической продукции за счет своих уникальных свойств.

Производители

Этот материал производят по всему миру. Основными потребителями его считаются Япония и Китай. Они потребляют и производят до 50% всей электротехнической стали. Основным производителем является Китай, а Япония в основном экспортирует этот вид стали.

На территории Российской Федерации делают гораздо больше металла, чем необходимо для использования внутри страны. Стоимость этого вида на российском рынке составляет 80-180 рублей за килограмм. В последние годы Российской Федерации удалось выйти на объемы производства, которые составили 10% от мирового импорта стали. В качестве основных производителей выступают:

1. Северсталь.
2. ВИЗ-Сталь.
3. Новолипецкий металлургический комбинат.

Эти учреждения производят продукцию в количестве в несколько раз превосходящем потребности внутреннего рынка. Это дает возможность продавать материал западным странам, таким как Италия, Швейцария, а также отправлять сталь в Индию.

Если обратить внимание на конкретный вид стали в общем объеме производства, то упор делают на динамный сортамент металла. Сталь для создания электрооборудования составляет только 30% от всего объема производства, так как ее не нужно неограниченное количество. Ее стоимость в пределах 120-180 руб./кг.

Применение

Трансформаторную сталь используют для изготовления важных элементов трансформаторов. Ее популярность связана с повышенными свойствами, благодаря добавлению в состав кремния.

Стержневой магнитопровод

Этот элемент представляет собой стержень, на который размещаются обмотки и ярма, для замыкания магнитной цепи. Их всегда делают шихтованными. Этот элемент имеет более простую конструкцию, чем броневой стержень и позволяет получить необходимую изоляцию для обмоток.

Стержневые магнитопроводы необходимы для мощных трансформаторов, так как у них на каждом стержне расположена половина обмотки. Устройства, в которых есть стержневой магнитопровод, имеет малый магнитный поток рассеивания, меньший расход провода и большая поверхность охлаждения обмотки.

Броневые магнитопроводы больше всего подходят для небольших показателей мощности. Это касается устройств, производящих от единицы до нескольких десятков вольт-ампер. Они функционируют, когда уровень напряжения не превышает 1000 В, а частота сети питания 50 или 400Гц. От стержневых трансформаторы с броневым магнитостержнем отличаются меньшей удельной мощностью на единицу объема и веса. Но главным их преимуществом считается стоимость.

Броневые магнитопроводы отличаются прямоугольными стержнями, расположенными в горизонтальном положении, на них располагаются обмотки прямоугольной формы.

В броневом магнитопроводе присутствует ряд конструктивных достоинств. При его использовании понадобится только один комплект обмоток, в котором присутствует ярмо для защиты от негативных факторов внешней среды.

Трансформаторная сталь производится с добавлением кремния. Этот элемент обеспечивает улучшение электромагнитных характеристик ее используют для создания сердечников трансформаторов, стержневых и броневых магнитопроводов. В маркировке изделий заложена информация о типе стали и основных нормируемых характеристиках. Стоимость материала на российском рынке составляет 120-180 руб. за кг.

Производством этого материала занимаются разные компании, но наибольшее количество выпускается на территории Китара, если рассматривать показатели по всему миру. России удалось выйти на рынок и производить до 10% мирового количества стали.

Анизотропная электротехническая сталь

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к химическому составу анизотропной электротехнической (трансформаторной) стали, выплавляемой в конвертере и предназначенной для непрерывной разливки в слябы и последующей их прокатки и термообработки. Задача изобретения заключается в повышении индукции и понижении удельных ваттных потерь трансформаторов, изготавляемых из заявляемой стали. Указанный технический эффект достигается тем, что анизотропная электротехническая сталь содержит углерод, кремний, фосфор, алюминий, азот, серу, никель, хром, марганец, медь. Сталь дополнительно содержит титан, кислород и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,020-0,050; кремний 2,8-3,3; фосфор 0,005-0,020; алюминий 0,011-0,021; азот 0,007-0,015; сера 0,010; никель 0,10; хром 0,10; марганец 0,10-0,30; медь 0,3-0,6; титан 0,0005-0,005; кислород 0,001-0,005; кальций 0,0002-0,001; железо – остальное. Изобретение обеспечивает возможность контроля структуро- и текстурообразования при нагреве и горячей обработке стали. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, конкретнее к химическому составу анизотропной электротехнической /трансформаторной/ стали, выплавляемой в конвертере и предназначенной для непрерывной разливки в слябы и последующей их прокатки и термообработки.

Наиболее близкой по технической сущности является анизотропная электротехническая сталь, содержащая, мас.%.: углерод 0,035-0,050; кремний 2,9-3,3; фосфор менее 0,015; алюминий 0,011-0,017; азот 0,008-0,012; сера менее 0,007; никель и/или хром 0,06-0,18; марганец менее 0,32; медь менее 0,6; остальное — железо. При этом Mn/S более 20,0; Сu/Мn более 1,5. /См. Международную заявку РСТ/КР 94/00160, кл. С 21 D 8/12, опубликована 01.05.1996/.

Недостатком известной стали являются высокие ваттные потери и низкая индукция магнитопроводов из известной стали, в том числе трансформаторов. Это объясняется отсутствием в химическом составе известной стали титана, кислорода и кальция. В этих условиях происходит образование в известной стали низкотемпературных ингибиторных фаз типа AlN и Сu₂S. Cказанное приводит в процессе нагрева и горячей прокатки непрерывно литых слябов к протеканию неконтролируемых процессов структуро- и текстурообразования, что вызывает формирование разнозернистой структуры и ухудшение необходимой направленной текстуры готовой металлопродукции.

Технический эффект при использовании изобретения заключается в повышении индукции и понижении удельных ваттных потерь трансформаторов, изготовляемых из заявляемой стали.

Указанный технический эффект достигается тем, что анизотропная электротехническая сталь содержит углерод, кремний, фосфор, алюминий, азот, серу, никель, хром, марганец, медь.

Сталь дополнительно содержит титан, кислород и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,020-0,050; кремний 2,8-3,3; фосфор 0,005-0,020; алюминий 0,011-0,021; азот 0,007-0,015; сера 0,010; никель 0,10; хром 0,10; марганец 0,10-0,30; медь 0,3-0,6; титан 0,0005-0,005; кислород 0,001-0,005; кальций 0,0002-0,001; железо — остальное.

Повышение индукции и понижение удельных ваттных потерь трансформаторов, изготовляемых из заявляемой стали, будет происходить вследствие введения в ее химический состав титана, кислорода и кальция в указанных пределах, а также изменения и уточнения количества содержания в стали фосфора, углерода, кремния, алюминия, азота, серы, никеля, хрома, марганца и меди.

Введение в сталь титана и кислорода обеспечивает формирование высокотемпературных дисперсных фаз TiN и Аl₂О₃, обеспечивающих контроль структуро- и текстурообразования при нагреве и горячей обработке стали. Введение в сталь кальция обеспечивает глобуляризацию включений Аl₂О₃ и снижение их негативного влияния на величину удельных магнитных потерь.

Диапазон содержания в стали титана в пределах 0,0005-0,005 мас.% объясняется физико-химическими закономерностями текстуро- и структурообразования в стали при горячей прокатке и последующих термообработках. Нижний предел содержания титана в стали выбран для обеспечения необходимого количества ингибиторной фазы. При меньших значениях влияние содержания титана на процесс структуро- и текстурообразования на ранних стадиях горячей прокатки стали не сказывается.

При больших значениях будет происходить увеличение количества крупных, не удаляемых в процессе рафинировочного отжига включений TiN, увеличивающих величину магнитных потерь в трансформаторах. Кроме того, титан связывает часть азота, необходимого для формирования частиц АlN, служащих ингибиторной фазой, что приводит к ухудшению текстуры в стали и к снижению величины магнитной индукции.

Легирование стали фосфором в пределах 0,005-0,020 мас.% объясняется необходимостью повышения штампуемости листовой стали.

Введение кислорода в сталь в пределах 0,001-0,005 мас.% осуществляется в процессе продувки кислородом при выплавке стали в конвертере. При меньших значениях не будет обеспечиваться необходимое количество дисперсных включений Аl₂О₃. При больших значениях будет происходить увеличение количества трудноудалимых оксидов алюминия, что приводит к ухудшению магнитных свойств стали.

Введение в сталь кальция в пределах 0,0002-0,001 мас.% объясняется необходимостью уменьшения негативного влияния включений Аl₂О₃ на магнитные свойства стали. При меньших значениях не будет обеспечиваться улучшение (глобуляризация) включений окислов алюминия. При больших значениях не будет обеспечиваться предотвращение образования избыточного количества окислов алюминия.

Анализ научно-технической и патентной литературы показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявляемого изобретения с признаками известных технических решений. На основании этого делается вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию “изобретательский уровень”.

Ниже дан вариант осуществления изобретения, не исключающий другие варианты в пределах формулы изобретения.

Реализация изобретения осуществляется следующим образом.

Пример. Анизотропная электротехническая сталь выплавляется в конвертере емкостью 160 т. В процессе выплавки сталь продувается кислородом сверху через погружную форму с расходом 2-4 м 3 /минт стали. После выпуска в сталеразливочный ковш сталь подвергают внепечной обработке. Затем сталь разливают на установках непрерывной разливки в слябы сечением 240-1250 мм. После разливки слябы подвергают горячей прокатке и необходимой термообработке.

Разливаемая анизотропная электротехническая сталь содержит, мас.%: углерод 0,020-0,050; кремний 2,8-3,3; фосфор 0,005-0,020; алюминий 0,011-0,021; азот 0,0070-0,015; сера 0,010; никель 0,10; хром 0,10; марганец 0,10-0,30; медь 0,3-0,6; титан 0,0005-0,005; кислород 0,001-0,005; кальций 0,0002-0,001; железо — остальное.

В таблице приведены примеры осуществления изобретения.

В первом и пятом примерах вследствие несоблюдения необходимого состава сформировалась неудовлетворительная текстура и структура стали, что привело к снижению величины магнитной индукции и увеличению удельных ваттных потерь.

В оптимальных примерах 2-4 вследствие необходимого химического состава стали обеспечивается повышение индукции и снижение удельных ваттных потерь трансформаторов, изготовляемых из этой стали.

Анизотропная электротехническая сталь, содержащая углерод, кремний, фосфор, алюминий, азот, серу, никель, хром, марганец, медь, отличающаяся тем, что сталь дополнительно содержит титан, кислород и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Сера 0,010

Никель 0,10

Хром 0,10

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ СТАЛЬ, тонколистовая магнитомягкая (см. МАГНИТОМЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ) сталь для магнитопроводов (сердечников) электротехнического оборудования (трансформаторов, генераторов, электродвигателей, дросселей, стабилизаторов, реле и т. д.). К электротехническим сталям относятся кремнистая электротехническая сталь и чистое железо.
Кремнистая электротехническая сталь

Кремнистая электротехническая сталь является основным магнитомягким материалом массового потребления. По составу она представляет собой сплавы железа с (0.5—5)% кремния, которые образуют с железом твердый раствор (см. ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ) . Сплавы содержат также 0,1—0,3% Mn. В зависимости от требуемого уровня магнитных свойств, электротехническая сталь содержит различное количество кремния. Введение кремния уменьшает потери на вихревые токи (см. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ) , так как увеличивает удельное сопротивление материала. Легирование кремнием приводит к увеличению начальной и максимальной магнитных проницаемостей, уменьшению коэрцитивной силы (см. КОЭРЦИТИВНАЯ СИЛА) и снижению потерь на гистерезис (см. ГИСТЕРЕЗИС) , уменьшает константы магнитной анизотропии и магнитострикции. Кремний способствует выделению углерода в виде графита, а также почти полному раскислению стали за счет химического связывания кислорода в SiO₂, который в виде шлака выделяется из расплава. Но при содержании Si более 5% ухудшаются механические свойства, повышаются твердость, хрупкость, сталь становится непригодной для штамповки
Кремнистая сталь обладает магнитной анизотропией (см. МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ) , подобной анизотропии чистого железа, т. е. направление легкого намагничивания совпадает с кристаллографическим направлением [100], а наиболее трудное намагничивание совпадает с пространственной диагональю [111] кубической элементарной ячейки.
В соответствии с технологией производства электротехнические стали подразделяют на холоднокатаные (изотропные или анизотропные; до 3,3% Si) и горячекатаные (изотропные; до 4,5% Si); в качестве легирующей добавки электротехнические стали могут содержать до 0,5% Al. При холодной прокатке возникают деформации, вызывающие преимущественную ориентацию кристаллических зерен. Отжиг при температуре 900—1000 о С снимает внутренние напряжения, и сопровождается интенсивной рекристаллизацией (укрупнением зерен), в результате которой кристаллические зерна осями легкого намагничивания ориентируются вдоль направления проката: получается ребровая текстура. Свойства стали существенно улучшаются при создании магнитной текстуры, создаваемой холодной прокаткой и отжигом (см. ОТЖИГ) , при котором происходит рекристаллизация (см. РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ) . Текстурированная сталь анизотропна по свойствам. Потери энергии при перемагничивании текстурованной стали ниже, а магнитная индукция выше, чем горячекатаной. Ее эффективное использование возможно лишь при такой конструкции магнитопровода, при которой магнитный поток целиком проходит вдоль направления легкого намагничивания. Легче всего это условие выполняется при использовании ленточных сердечников. При ребровой текстуре наилучшие магнитные свойства получаются в направлении прокатки, наихудшие — под углом 55 о к направлению прокатки, которое соответствует направлению трудного намагничивания.
При кубической текстуре наилучшие магнитные свойства обеспечиваются в направлении всех ребер куба элементарных ячеек.
Иногда электротехнические стали условно разделяют на динамную (0,8—2,5% Si) и трансформаторную (3—4,5% Si). Электротехническая сталь выпускается в виде листов (часто в рулонах) и узкой ленты толщиной 0,05—1 мм.
Чистое железо

Сплавы, в которых углерода менее 0,02%, называются технически чистым железом. Технически чистое железо относится также к электротехническим сталям.
Техническое железо(армко-железо (см. АРМКО-ЖЕЛЕЗО) ) содержит менее 0,04% С и имеет высокую магнитную проницаемость (m = 4500 Гс/Э). Оно является электротехническим магнитно-мягким материалом (марки Э, ЭА, ЭАА) и применяется для сердечников, полюсных наконечников, электромагнитов, пластин аккумуляторов.
Технически чистое железо (низкоуглеродистая электротехническая сталь) содержит менее 0.05% углерода и минимальное количество примесей других элементов. Получается прямым восстановлением чистых руд.
Железо в чистом виде является магнитомягким материалом, магнитные свойства которого существенно зависят от содержания примесей. Среди элементарных ферромагнетиков железо обладает наибольшей индукцией насыщения (около 2,2 Тл). У технически чистого железа магнитная проницаемость составляет m_н — (250—400), m _мах — (3500—4500), коэрцитивная сила H_c — (50—100) А/м, индукция насыщения B_s 2.18 Тл.Особо чистое железо, содержащее малое количество примесей получают двумя сложными способами:
Электролитическое железо — путем электролиза раствора сернокислого или хлористого железа. Магнитная проницаемость электролитического железа m_н — 600, m_мах — 15000, коэрцитивная сила Hc —30 А/м, индукция насыщения B s 2.18 Тл
Карбонильное железо получают посредством термического разложения пентакарбонила железа: Fe(CO)5 = Fe+5CО. У карбонильного железа магнитная проницаемость m_н — , m_мах — 15000, коэрцитивная сила Hc —30 А/м, индукция насыщения B_s 2.18 Тл
На магнитные свойства железа влияют химический состав, структура, размер зерна, искажения кристаллической решетки, механические напряжения. Магнитные свойства железа улучшаются при выращивании крупного зерна, в результате многократных переплавок в вакууме. Внутренние напряжения в деталях снимаются отжигом.
Качество электротехнической стали характеризуется величиной и изотропностью магнитных свойств, геометрическими размерами и качеством листов и полос, механическими свойствами, а также параметрами электроизоляционного покрытия. Снижение удельных потерь в стали обеспечивает уменьшение потерь энергии в магнитопроводах; повышение магнитной индукции стали позволяет уменьшить габариты магнитопроводов; снижение анизотропии магнитных свойств улучшает характеристики устройств с вращающимися магнитопроводами. Электротехнические стали применяют в производстве генераторов электрического тока, трансформаторов, электрических двигателей и др.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Электротехническая сталь и ее свойства

Наибольшее применение в электротехнике получила листовая электротехническая сталь . Эта сталь является сплавом железа с кремнием, содержание которого в ней 0,8 — 4,8%. Такие стали, в которые вводятся в малом количестве какие-либо вещества для улучшения их свойства, называются легированными.

Кремний вводится в железо в виде ферросилиция (сплав сислицида железа FeSi с железом) и находится в нем в растворенном состоянии . Кремний реагирует с наиболее вредной (для магнитных свойств железа) примесью — кислородом, восстанавливая железо из его окислов FеО и образуя кремнезем SiO2, который переходит частично в шлак.

Кремний также способствует выделению углерода из соединения Fе3С (цементит) с образованием графита. Таким образом, кремний устраняет химические соединения железа (FеО и Fе3С), которые вызывают увеличение коэрцитивной силы и увеличивают — потери на гистерезис. Кроме того, наличие кремния в железе в количестве 4 % и более увеличивает удельное электрическое сопротивление по сравнению с чистым железом, в результате чего уменьшаются потери на вихревые токи.

Несмотря на то что индукция насыщения Вs железа с увеличением кремния в нем з начительно повышается и достигает при 6,4% кремния большой величины (Вs = 2800 гс), все же кремния вводят не более 4,8%. Увеличение содержания кремния более 4,8% приводит к тому, что стали приобретают повышенную хрупкость, т. е. механические свойства их ухудшаются.

Выплавляется электротехническая сталь в мартеновских печах. Листы изготовляют прокаткой стального слитка в холодном или горячем состоянии. Поэтому различают холодно- и горячекатаную электротехническую сталь .

Железо имеет кубическую кристаллическую структуру. По исследованию намагничивания оказалось, что оно может быть неодинаково по различным направлениям этого куба. Наибольшим намагничиванием кристалл обладает в направлении ребра куба, меньшим — по диагонали грани и самым малым — по диагонали куба. Поэтому желательно, чтобы все кристаллики железа в листе выстроились в процессе прокатки в ряды по направлению ребер куба.

Это достигается повторными прокатками листов стали, с сильным обжатием (до 70%) и последующим отжигом в атмосфере водорода. Это способствует очищению стали от кислорода и углерода, а также укрупнению кристаллов и ориентировке их таким образом, чтобы ребра кристаллов совпадали с направлением прокатки. Такие стали называются текстурованными . У них магнитные свойства по направлению прокатки выше, чем у обычной горячекатаной стали.

Листы текстурованной стали изготовляются холодной прокаткой. Магнитная проницаемость их выше, а потери на гистерезис меньше, чем у горячекатаных листов. Кроме того, у холоднокатаной стали индукция в слабых магнитных полях возрастает сильнее, чем у горячекатаной, т. е. кривая намагничивания в слабых полях располагается значительно выше кривой горячекатаной стали.

Рис. 1. Процесс производства листовой электротехнической стали

Следует, однако, отметить, что в результате ориентировки зерен текстурованной стали по направлению прокатки магнитная проницаемость по другим направлениям меньше, чем у горячекатаных. Так, при индукции 6 = 1,0 тл в направлении прокатки магнитная проницаемость μ м=50000, а в направлении перпендикулярно прокатке μ м — 5500. В связи с этим при сборке Ш-образных сердечников трансформаторов применяют отдельные полосы стали, вырезанные вдоль прокатки, которые затем шихтуют так, чтобы направление магнитного потока совпадало с направлением прокатки стали или составляло бы с ним угол 180°.

На рис. 2 приведены кривые намагничивания электротехнических сталей ЭЗЗОА и Э41 для трех диапазонов напряженностей магнитного поля: 0 — 2,4, 0 — 24 и 0 — 240 а/с м .

Рис. 2. Кривые намагничивания электротехнических сталей: а — сталь Э330А (текстурированная), б — сталь Э41 (нетекстурированная)

Электротехническая листовая сталь обладает хорошими магнитными характеристиками — высокой индукцией насыщения, малой коэрцитивной силой и малыми потерями на гистерезис. Благодаря этим свойствам она широко используется в электротехнике для изготовления сердечников статоров и роторов электрических машин, сердечников силовых трансформаторов, трансформаторов тока и магнитопроводов различных электрических аппаратов.

Отечественная электротехническая сталь различается по содержанию в ней кремния, по способу изготовления листов, а также по магнитным и электрическим свойствам.

Буква Э в обозначении стали означает » электротех ническая сталь » , первая за буквой цифра (1, 2, 3 и 4) означает степень легирования стали кремнием, причем содержание кремния находится в следующих пределах в %: для слаболегированной стали (Э1) от 0,8 до 1,8, для среднелегированной стали (Э2) от 1,8 до 2,8, для повышеннолегированной стали (ЭЗ) от 2,8 до 3,8, для высоколегированной стали (Э4) от 3,8 до 4,8.

Средняя величина удельного электрического сопротивления электротехнической стали ρ тоже зависит от количества кремния. О н о тем выше, чем больше содержание кремния в стали. Стали мирок Э1 имеют сопротивление ρ = 0,25 ом х мм 2 / м , марок Э2 — 0,40 ом х мм2/м, марок ЭЗ — 0,5 ом х мм 2 /м и марок Э4 — 0,6 ом х мм 2 /м.

п еремагничивании (вт/кг). Эти потери тем меньше, чем больше цифра, т. е. больше степень легирования стали кремнием. Нули после этих цифр о зн ачают, что сталь холоднокатаная текстурованная (0) и холоднокатаная малотекстурованная (00). Буква А указывает на особо низкие удельные потери при перемагничивании стали.

Электротехническая сталь выпускается в виде листов шириной от 240 до 1000 мм, длиной от 720 до 2000 мм и толщиной 0,1, 0,2, 0,35, 0,5 и 1,0 мм. Наибольшее применение имеют текстурованные стали, поскольку они обладают наибольшими значениями магнитных характеристик.